雍巍

摘 要：無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)采用了網(wǎng)絡(luò)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得它可以進(jìn)行多跳通訊，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織化。本文作者針對(duì)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的發(fā)送速率與發(fā)送功率之間相互影響的特點(diǎn)，從網(wǎng)絡(luò)吞吐率與每比特平均能耗的角度研究了特定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送速率與發(fā)送功率之間的平衡點(diǎn)，并進(jìn)行了仿真分析。證明了對(duì)于一個(gè)特定的多速率與多功率無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)，是存在一個(gè)最優(yōu)發(fā)送功率或一個(gè)較優(yōu)的發(fā)送功率區(qū)間，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)以該功率或功率區(qū)間發(fā)送分組時(shí)，可以得到最小的每比特平均能耗，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍然可以保持較高的吞吐率。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)；多功率；每比特平均能耗；吞吐率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.205

1 緒論

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)（Wireless Ad Hoc Network）簡(jiǎn)稱(chēng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，其可以看作是移動(dòng)通信與電腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的一種新型網(wǎng)絡(luò)形式。該網(wǎng)絡(luò)支持多跳通訊，可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)性的自我管理。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)不同的路徑經(jīng)過(guò)多跳來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，因此具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。多跳，自組織，無(wú)固定的基礎(chǔ)設(shè)施是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的最重要的特點(diǎn)。

信道接入控制（Medium Access Control，MAC）協(xié)議處在通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件的最底部，運(yùn)行在物理層之上，它決定什么時(shí)候發(fā)送其分組，而且通?？刂茖?duì)物理層的所有訪問(wèn)。其性能的好壞會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)。在多跳網(wǎng)路中的協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)遇到的一個(gè)十分重要的問(wèn)題就是如何避免碰撞，因?yàn)楹饬恳粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的最重要的指標(biāo)就是其吞吐率，而碰撞恰恰是影響吞吐率最重要的因素。可以說(shuō)，避免碰撞的思想貫穿于“多跳”分布式網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議演化的始終。無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制技術(shù)的演化與發(fā)展走過(guò)了一個(gè)從單信道到雙信道再到多信道的過(guò)程。與此同時(shí)，多速率技術(shù)（又稱(chēng)速率自適應(yīng)技術(shù)）和功率控制技術(shù)也被引入信道接入控制協(xié)議中。

2 基于多速率、多功率的MAC協(xié)議的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)功率優(yōu)化

2.1 速率自適應(yīng)技術(shù)

無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)中的速率自適應(yīng)技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)傳輸速率不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整，找到最合適在當(dāng)前信道條件下的傳輸速率，從而使網(wǎng)絡(luò)能一直保持在最大的吞吐率狀態(tài)。速率自適應(yīng)技術(shù)的核心是及時(shí)地獲取能夠?qū)崟r(shí)反映信道狀態(tài)的信息，做出評(píng)估，并在這個(gè)基礎(chǔ)上做出速率選擇。

我們知道，信噪比與誤碼率之間呈反比關(guān)系，信噪比越差就越難重現(xiàn)原始信號(hào)；如信噪比不變，我們采用越高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端出現(xiàn)的誤碼率就越高。而發(fā)送速率越大，理想情況下吞吐量也越大，但也越容易受到信道噪聲的干擾，增大誤碼率；速率越低，理想情況下吞吐量越小，但傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。由此可知，速率自適應(yīng)技術(shù)實(shí)際上可以有兩個(gè)優(yōu)化的目標(biāo)：以提高吞吐量為優(yōu)化目標(biāo)和以節(jié)省能量為優(yōu)化目標(biāo)。本文討論如何在保證高吞吐量的情況下盡可能地節(jié)省能量，即將成功發(fā)射單位比特信息量所消耗的功率盡可能降低。目前比較典型的多速率MAC協(xié)議有：（1）ARF協(xié)議。ARF（All Rate Fallback）協(xié)議支持多速率并被廣泛使用。ARF協(xié)議主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行判斷，若一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)成功率高，就提速發(fā)送，否則就降速；（2）RBAR協(xié)議。RBAR（Received-Based Auto Rate）協(xié)議的宗旨是由接受節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷來(lái)告知發(fā)送端要采用什么速率進(jìn)行發(fā)送。RBAR協(xié)議基于IEEE802.11，因而易于實(shí)現(xiàn)，代價(jià)很小。

2.2 功率控制技術(shù)

功率控制技術(shù)的目的之一當(dāng)然是為了節(jié)省能量，因?yàn)楣?jié)省能量對(duì)于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)非常重要。功率控制問(wèn)題是指在無(wú)線(xiàn)通信中節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組要選擇最恰當(dāng)?shù)墓β省＿@里講的是恰當(dāng)?shù)墓β?，并不是功率越小越好。這是因?yàn)樗x擇的功率不僅要能成功完成發(fā)送分組的任務(wù)之外，還要兼顧網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及吞吐率等諸方面。

網(wǎng)絡(luò)層功率控制需要從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)考慮，通過(guò)改變各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率來(lái)影響具體的通信路由，使得整體網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu)。但是對(duì)與組織網(wǎng)來(lái)說(shuō)，我們很難預(yù)判節(jié)點(diǎn)的分布狀況。因而我們需要引入一種機(jī)制，讓系統(tǒng)能依據(jù)節(jié)點(diǎn)的分布自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，控制好節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率。如果增加發(fā)送功率，可以獲得更大的覆蓋范圍，節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的次數(shù)也就相應(yīng)可以減少，造成系統(tǒng)的聯(lián)通新得到改善。但是這可能造成信道的空間復(fù)用度降低，反而拖累了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。反之如果降低發(fā)送功率，信道的空間復(fù)用度可以得到改善，但通訊覆蓋范圍降低，通訊的跳轉(zhuǎn)次數(shù)可能會(huì)提高，連通性會(huì)變差，通訊延時(shí)也會(huì)增加。所以，在選擇發(fā)送功率時(shí)，其實(shí)我們必須在跳轉(zhuǎn)次數(shù)和空間復(fù)用度之間進(jìn)行有偏向的取舍。

一般來(lái)說(shuō)，功率與信噪比之間在數(shù)量上是一種線(xiàn)性的關(guān)系，于是我們可以得到啟示：（1）既然不同的速率有相應(yīng)于自己的信噪比門(mén)限，而由于信噪比與功率之間有著線(xiàn)性關(guān)系，則每一個(gè)信噪比門(mén)限值就會(huì)有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的功率“門(mén)限”；（2）既然吞吐量—信噪比圖中的相應(yīng)于一定速率的曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“平臺(tái)”（最大吞吐量），在這段“平臺(tái)”中，吞吐量隨著信噪比的增加基本不變，那么相應(yīng)地在吞吐量—功率圖中也應(yīng)該出現(xiàn)類(lèi)似的“平臺(tái)”（最大吞吐量），功率進(jìn)一步增大，吞吐量基本維持不變。

所以，我們可以直接從功率出發(fā)，研究吞吐量與功率的關(guān)系，試圖找出吞吐量高、且發(fā)送單位比特能量最省的發(fā)送功率，從而對(duì)多速率、多功率的MAC協(xié)議進(jìn)行性能分析與優(yōu)化。

2.3 仿真與結(jié)果分析

GloMoSim是并行可擴(kuò)展離散事件仿真環(huán)境，適合在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真中使用。本文在GloMoSim現(xiàn)有的IEEE 802.11 DCF協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真與研究。選用RABA協(xié)議作為研究對(duì)象。我們根據(jù)朗訊的Orinoco系列無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)收、發(fā)機(jī)的模型及性能參數(shù)，設(shè)定發(fā)射功率為3dBm。

仿真配置1： 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離800m，業(yè)務(wù)為CBR，發(fā)包大小1024byte，發(fā)包間隔1ms。

分析：節(jié)點(diǎn)間距加大時(shí)，吞吐量隨發(fā)送功率變化圖的規(guī)律基本沒(méi)變，但平均能耗隨發(fā)送功率的變化有較大的差異。出現(xiàn)跳躍點(diǎn)處的位置沒(méi)變，但“平臺(tái)”沒(méi)有了，出現(xiàn)了隨著發(fā)送功率逐漸增加其平均能耗也隨之增加的情況。相應(yīng)于吞吐量出現(xiàn)的四段“平臺(tái)”，其平均能耗在各段的最小值均在其最左端的起始處。而這四個(gè)值中最小的一個(gè)，不再是最右端的那個(gè)，而是倒數(shù)第二個(gè)。這說(shuō)明，并不是總是用最大的速率發(fā)送分組能耗最小。

而當(dāng)我們將間距增加到1200m的時(shí)候，隨著速率的提升，其吞吐量仍然維持原先的變化規(guī)律，但平均能耗雖然仍然保留了在距離800m時(shí)的分段上的上升趨勢(shì)，但最小的能耗點(diǎn)卻再次前移。實(shí)際上，此時(shí)如能確保使用最低速率發(fā)送分組時(shí)的發(fā)送功率，其平均能耗最低。

上述研究表明：在RBAR的基礎(chǔ)上引入功率控制，對(duì)于最簡(jiǎn)單拓?fù)洌▋蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)），在距離相對(duì)較小的時(shí)，多速率傳輸和能耗控制，存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，使得吞吐量比較大，且平均能耗最小。在兩點(diǎn)相距400m時(shí)，這個(gè)最優(yōu)點(diǎn)在相對(duì)于最高速率的最左端。當(dāng)距離較大時(shí)，最優(yōu)點(diǎn)向左移動(dòng)。在距離為1200m時(shí)，則要用最低速率傳輸，此時(shí)平均能耗最小。

仿真配置2： 16個(gè)節(jié)點(diǎn)，Grid分布，格點(diǎn)距離400m，路由使用主流的動(dòng)態(tài)源路由（DSR）業(yè)務(wù)類(lèi)型CBR，隨機(jī)分配五條流。發(fā)包大小1024byte，發(fā)包間隔1ms。

分析表明，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況下，隨著發(fā)送功率的增加，吞吐量總的呈上升趨勢(shì)，但出現(xiàn)的“平臺(tái)”變窄，數(shù)量變多。在節(jié)點(diǎn)變多、傳播范圍變大的情況下，發(fā)送功率的加大可使其覆蓋范圍變大，影響了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由選擇；周?chē)?jié)點(diǎn)的增多也增加了干擾。所有這些因素造成了吞吐量的變化規(guī)律發(fā)生了改變，但總的趨勢(shì)沒(méi)有變。圖2中，曲線(xiàn)的最后出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。這表明仍然存在有一個(gè)最佳大小的功率，能使網(wǎng)絡(luò)的平均能耗達(dá)到最小。

上述研究表明，對(duì)于一個(gè)多速率、多功率的網(wǎng)絡(luò)，一定存在一個(gè)確定的發(fā)送功率或功率區(qū)間，用此大小的功率或功率區(qū)間發(fā)送分組，可以得到最小的平均能耗。當(dāng)然，問(wèn)題并不那么簡(jiǎn)單，結(jié)合功率控制和多速率MAC協(xié)議的主要目標(biāo)就是做到二者兼顧，在相互制約的前提下找到合適的折中。

3 總結(jié)

本文直接從發(fā)送功率出發(fā)，研究了在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜筒煌俾是闆r下網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨發(fā)送功率的變化規(guī)律。研究表明，對(duì)于一個(gè)多速率、多功率的網(wǎng)絡(luò)，一定存在一個(gè)確定的發(fā)送功率，用此大小的功率發(fā)送分組，可以得到最小的平均能耗。而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)變多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為復(fù)雜的情況下，其變化規(guī)律發(fā)生了改變。這說(shuō)明功率因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響確實(shí)是多方面的。今后要對(duì)各種更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真，以進(jìn)一步探討其間有無(wú)規(guī)律可循。

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